9.3 光纤传感器实例
9.3.1 光纤液位传感器
图9-22 光纤液位传感器
（a）Y型光纤；（b）U型光纤；（c）棱镜耦合
图9-22所示为基于全内反射原理研制的液位传感器。它由LED光源，光电二极管，多模光纤等组成。它的结构特点是，在光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空气中，没有接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而返回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，将有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。
图（a）结构主要是由一个Y型光纤、全反射锥体、LED光源以及光电二极管等组成。
图（b）所示是一种U型结构。当测头浸入到液体内时，无包层的光纤光波导的数值孔径增加，液体起到了包层的作用，接收光强与液体的折射率和测头弯曲的形状有关。为了避免杂光干扰，光源采用交流调制。
图（c）结构中，两根多模光纤由棱镜耦合在一起，它的光调制深度最强，而且对光源和光电接收器的要求不高。
由于同一种溶液在不同浓度时的折射率也不同，所以经过标定，这种液位传感器也可作为浓度计。光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体以及会粘附在测头表面的粘稠物质。
9.3.2 光纤角速度传感器（光纤陀螺）
光纤角速度传感器又名光纤陀螺；其理论测量精度远高于机械和激光陀螺仪。它以塞格纳克效应为其物理基础。对于N匝光纤，塞格纳克相移为
式中符号见式（9-29）。
转速测量的误差是由光散粒噪声决定的。输出光电流可用式（9-26）计算。图9-23所示为光电流iD与相移φ，强度噪声iN与相移误差δφ的关系。光散粒噪声可按下列公式计算:
图9-23 光电探测器电流iD与相移φ的关系
对于零差检测方式，可用直线来近似曲线，得到
和
式中，B——噪声带宽:B≈1/2τ，其中τ为低通滤波器的时间常数。
将上式代入式（9-33）的微分式:δΩ＝（λoc/4πNA）δφ可测得转速测量误差
式中nph——激光束中的光子数/秒。其他符号同式（9-13、9-3）。
图9-24 光纤陀螺
图9-24是光纤陀螺的最简单的结构。在光纤中，光传播的每一种模对实验环境波动的敏感性不同于其他模。因此，光纤角速度传感器的左旋光和右旋光虽然在同一光纤中传播，如果两个方向的传播模不一样，那么实验环境变化引入的相位差，将大于旋转产生的相位差。若能使整个光学系统限制在单模工作状态，当然可以解决这个问题，但这样做在技术上有一定难度。在图9-24的结构中，采用了偏振器和空间滤光器（在两透镜间的衍射小孔），只让一种模通过，使进入光纤两端的光工作于同一模。为了实现零差检测，需要对进入光纤某一端的光，相对于另一端相移π/2。为了避开低频端1/f噪声，也需要对信号进行调制，故在图中设置了调制器。光劈的作用是使光分成两束。
9.3.3 光纤电流传感器
图9-25为偏振态调制型光纤电流传感器原理图。根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转；检测偏转角的大小，就可得到相应的电流值。如图
图9-25 偏振态调制型光纤电流传感器测试原理图
所示，从激光器发生的激光经起偏器变成偏振光，再经显微镜（×10）聚焦耦合到单模光纤中。为了消除光纤中的包层模，可把光纤浸在折射率高于包层的油中，再将单模光纤以半径R绕在高压载流导线上。设通过其中的电流为I，由此产生的磁场H满足安培环路定律。对于无限长直导线，则有
H＝I/2πR （9-36）
由磁场H产生的法拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏转角为
θ＝VlI/2πR （9-37）
式中，V——费尔德常数，对于石英:V＝3.7×10-4（rad/A）
l——受磁场作用的光纤长度。
由此得 
受磁场作用的光束由光纤出端经显微物镜耦合到偏振棱镜，并分解成振动方向相互垂直的两束偏振光，分别进入光探测器，再经信号处理后输出信号
图9-26 全光纤结构电流传感器
式中，N——输电线链绕的单模光纤匝数。
该传感器适用于高压输电线大电流的测量；测量范围0～1000A，精度可达1%。
图9-26为新近出现的一种全光纤结构的光纤电流传感器。其中单偏光纤代替了上述结构中的起偏器，并用了一个多圈传感线圈。电流测量范围可达0.1～5000A。
9.3.4 光纤光栅传感器[1]
光纤光栅传感技术是国际上近十年发展起来的新型传感技术。它是以光纤为载体的传感技术的最杰出代表，目前已成功应用于众多相关行业。所谓光纤光栅，就是一小段芯区折射率周期性调制的光纤。光纤光栅传感器（Fiberoptic Raster Sensor）就是通过检测每小段光栅反射回来的信号光波长值的变化，来实现对被测参数的测量。
1.光纤光栅的结构和工作原理
光纤光栅的结构如图9-27（a）所示。渐变型光纤的纤芯内掺杂有单晶锗离子。光栅的制作是通过写入技术，即通过紫外光干涉图案（周期图案）照射光纤，利用光纤材料的光敏性（入射光子与纤芯内锗离子相互作用）而造成折射率（10-5～10-3）的永久性变化，从而在纤芯内形成一小段一小段折射率周期性变化的空间相位光栅。这种光栅被称为光纤布拉格（Bragg）光栅（FBG）。
图9-27 布拉格光纤光栅的结构（a）和工作原理（b）
若光栅间隔周期Λ较短，当光束向光栅以一定的角度入射时，光波在介质中要穿过光栅的多个变化间隔，介质内各级衍射光会相互干涉，其中高级次的衍射光相互抵消，只出现0级和1级衍射光，即Bragg衍射。因此，入射进光纤的宽带光，只有满足一定条件的波长的光才能被反射回来，其余光即被透射出去，如图9-27（b）所示。
由耦合模理论可知，光纤光栅的Bragg中心波长为
λB＝2neffΛ（9-40）
式中，neff为光纤有效折射率；Λ为光栅周期。
由上式可见，λB随neff和Λ变化而变化。而光纤受外界应变和温度影响将通过弹光效应和热光效应影响neff；通过光纤长度变化和热膨胀影响Λ，从而引起中心波长λB的改变。所以，光纤光栅传感器基本原理就是:利用光纤光栅有效折射率（neff）和周期（Λ）的空间变化对外界参量的敏感特性，将被测量变化转化为Bragg波长的移动，再通过检测该中心波长的移动来实现测量的。
2.解调技术
解调的目的就是要检测出反映被测量变化的FBG波长微小移动量。用于FBG波长编码解调的方法有滤波法、光谱编码/比例解调法、干涉法和可调光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）腔法（参见图9-18）。F-P腔法具有体积小、价廉、并能直接输出对应于波长变化的电信号的优点。
图9-28为可调F-P腔的解调方案。其中F-P腔可视为窄带滤波器。入射F-P腔的平行光只有满足相干条件的特定波长的光，才能发生干涉，形成相干峰值。光路过程为:宽带光源入射光经隔离器进入FBG光栅，由它反射回的光经耦合器和透镜，形成平行光入射到F-P腔；出射光再经透镜汇聚输入光电探测器，输出电信号。驱动元件采用了PZT压电陶瓷的逆压电效应，外加电压使其产生电致伸缩，使构成F-P腔的两个高反射镜中的一个移动，从而改变F-P腔腔长，使透过F-P腔的光波长发生改变。当F-P腔的透射波长与FBG反射波长重合时，入射探测器的光强最大（出现波峰）。
3.应用
图9-28 对FBG波长解调的可调F-P腔方案
图9-29为分布式FBG传感器网络。光纤通过写入技术形成FBG光栅传感器阵列1，2，…，n。把它布设于桥梁、大坝等大型土建工程或航空、航天器等特殊结构之中，就可在一条光纤上进行多点准分布式测量要害部位的应力、温度等参数，实现结构的“健康监测”。
图9-29 分布式光纤光栅传感器网络
习题与思考题
9-1 试用射线分析方法，阐明阶跃光纤的导光原理，并解释光纤数值孔径的物理意义。
9-2 有一阶跃光纤，已知n1＝1.46，n2＝1.45，外部介质为空气，n0＝1。试求光纤的数值孔径值和最大入射角。
9-3 举例说明光纤传感器各种调制方式的原理和应用。
9-4 如图9-6所示:反射式光强调制器的输出信号（如电压）与光源的稳定性和被测物表面的反射率有关。试问:能否设计一种结构可消除这两种不利影响？
9-5 试比较图9-19四种类型干涉仪结构的检测特点和典型的应用范围。
9-6 说明光纤激光多普勒测速的原理和系统的组成。
9-7 如图9-24所示的光纤陀螺，为了实现零差检测，进入光纤某一端的光，必须相对于另一端相移π/2。试证明:
（1）如不进行相移，探测器上光强随相位Δφ的变化为
I＝Io（1＋cosΔφ）/2
（2）如进行相移，则为 I＝Io（1-sinΔφ）/2并讨论相移方法的优点。
9-8 试计算光纤陀螺由于光散粒噪声引起的测量误差（°/小时）。已知NA＝0.3，λ0＝0.6×10-7m，nph＝3×1015光子/秒（相当于1mW），η0＝0.3，τ＝1s。
9-9 试计算:基于法拉第旋光效应的石英光纤工频变流电流传感器（参见图9-25）的光纤匝数N。已知:光纤线圈半径R＝0.3m，电流有效值1000A，由其产生磁场引起光纤偏振光的最大偏转角为30°。
9-10 简述利用光纤光栅对大型复杂构件进行“健康监测”的原理。
【注释】
[1]本节由贾伯年作了改编
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